Многие считают кислотно-основное состояние предметом, трудным для изучения. К этому можно добавить, что и преподавать его довольно сложно, так как никогда не бывает времени для достаточно полного усвоения теоретических аспектов и клинических примеров. Тот, кто хочет глубже изучить данный вопрос, должен самостоятельно читать специальные руководства.

Замечательные достижения в разработке вопросов кислотно-основного состояния (КОС) сделали измерения pH и рСО2, одним из самых частых и важных анализов в клинической медицине.

Физиологическое значение проблемы КОС вытекает из того факта, что в процессе обмена веществ в клетках образуется огромное количество ионов водорода, концентрацию которых, тем не менее, нужно поддерживать в довольно узких пределах, совместимых с нормальной жизнедеятельностью клеток. Природа решает эту задачу, во-первых, за счет уравнивания скорости выделения ионов H+ из организма с темпами их образования; во-вторых, за счет буферизования, поддерживающего концентрацию Н+ в области физиологических значении.

Основное количество ионов водорода генерируется в реакциях диссимиляции белков, жиров и углеводов, образующих CO2. CO2 реагирует с водой:



Ионы H+ в этой реакции являются метаболическими ионами, которые необходимо вывести из организма, удалив CO2. Адекватное управление концентрацией этих ионов в условиях значительных колебаний темпа их образования является важнейшей задачей механизмов КОС. He трудно заметить, что конечный продукт метаболических реакций — та же углекислота, которая выдыхается через легкие. Однако по пути от клеток к альвеолам в соответствии с приведенным ниже уравнением CO2 порождает ионы водорода, которые могут оказывать вредное действие и концентрацию которых необходимо поддерживать в допустимых пределах.

Метаболическая углекислота реагирует с водой, переходя в форму H+ и НСО3-; то же самое наблюдается в интерстициальной жидкости, плазме и эритроцитах. Однако транспорт углекислого газа через биологические мембраны происходит в основном в форме CO2, а не в виде гидрата или ионов. Следовательно, в тканях, где образуется углекислота, реакция осуществляется дважды, равно как и в легочных капиллярах.

Углекислый газ вырабатывается в клетках и проходит, как таковой, через ряд мембран, в каждой из них CO2 взаимодействуете водой соответственно приведенному уравнению.

Из уравнения вытекает также, что H+ и HCO3 образуются в равных количествах. Тем не менее концентрация H+ в тканях организма гораздо ниже, чем концентрация HCO3-. Происходит это благодаря действию буферных систем.

При смешивании слабой кислоты и сильного основания или сильной кислоты и слабого основания образуются так называемые буферные растворы, в которых прибавление ионов H+ или ОН мало влияет на результирующий pH

В организме выделяют четыре таких буферных системы. Это прежде всего бикарбонатный буфер, который представлен угольной кислотой и ее кислой солью (бикарбонатом) в качестве вещества с основными свойствами. Соотношение HCO3/H2CO3 является константой и составляет 20.1.

Вторым важным буфером служит белковый буфер. Буферные свойства белков определяются их амфотерностью. Белки могут, диссоциировать как с образовании Н+, так и ОН- ионов по схеме H—R—ОН → ОН—R- + H+, реагируя как кислоты и образуя соли со щелочами — щелочные альбумина-ты, или H—R—ОН → H—R+ + ОН , peaгируя как основания и нейтрализуя кислоты с образованием кислых альбуминатов. Характер диссоциации зависит от химической природы белка и от реакции среды. При слабо щелочной реакции крови белки диссоциируют преимущественно с образованием H+, т.е. ведут себя как слабые кислоты и образуют соли со щелочами (протеинаты), которые при закислении среды отдают эту щелочь.

Оба буфера в совокупности представляют собой буферную систему плазмы крови.

Ионы водорода, возникающие в результате гидратирования метаболической углекислоты (т.е. в результате взаимодействия метаболической углекислоты с водой), участвуют в реакциях, взаимодействуя как с HCO3, так и основными группами белков, причем их концентрация, естественно, в обоих случаях одна и та же. В связи с этим рост концентрации CO2 сдвигает реакцию с HCO3 в пользу H+, а реакцию с протеинами в пользу R—ОН. Заметим, что рост количества CO2 может быть как следствием повышения его продукции, например в результате мышечной работы, так и снижения скорости удаления при дыхательной недостаточности Стабильное состояние поддерживается только в тех случаях, когда количество метаболически образованного CO2 равно выдыхаемому.

Если ионы водорода возникают из каких-нибудь других источников, например в связи с избыточным образованием молочной кислоты при гипоксии или 3-оксимасляной кислоты при диабетическом кетозе, то обе реакции сдвигаются влево. Концентрация продуктов в столбце В уменьшается и образуются формы R—ОН и CO2. Дальнейшее напоминает процесс, вызываемый добавлением кислоты в пиво: избыток CO2 освобождается в виде обильной пены Некоторая часть CO2 не реагирует с водой, но, будучи физически растворенной в ней, этот газ создает определенное парциальное давление (рСО2.).

Видно, что если концентрация гидрокарбоната или белка ниже нормы, то снижается и буферная емкость плазмы.

Еще одной буферной системой плазмы является фосфатный буфер, образованный одно- и двухосновными фосфорнокислыми солями NaH2PO4/Na2HPO4 = 1/4.

Одноосновные фосфорные соли являются слабыми кислотами, а двухосновные соли имеют ясно выраженную щелочную реакцию. Принцип действия фосфатного буфера аналогичен карбонатному. Непосредственная роль фосфатного буфера в крови незначительна; этот буфер имеет гораздо большее значение в почечной регуляции кислотно-основного гомеостаза. Ему принадлежит также значительная роль в регуляции активной реакции некоторых тканей. В крови же его действие главным образом сводится к поддержанию постоянства и воспроизводства бикарбонатного буфера. Благодаря одновременному присутствию в растворе фосфатного и карбонатного буфера происходит обменная реакция



т.е. избыток H2CO3 устраняется, а концентрация NaHCO3 увеличивается.

Наибольшая буферная емкость крови (до 75%) падает на гемоглобин. В гемоглобине человека содержится 8,1 % гистидина — аминокислоты, включающей как кислые (СООН), так и основные (NH2) группы. Буферные свойства гемоглобина обусловлены возможностью взаимодействия кисло г с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества соответствующей калиевой соли и свободного гемоглобина.

В этом случае имеется тесная связь между карбонатным буфером и гемоглобиновым, аналогичная таковой с белковым.

При этом следует помнить, что гемоглобин способен также связать углекислый газ с помощью свободных аминогрупп, образуя карбогемоглобин.



Таким образом, хотя емкость карбонатной системы составляет лишь 7—9 % от общей буферной емкости крови, но она очень важна в связи с тем, что тесно связана с другими буферными системами и ее состояние зависит также от функций, участвующих в поддержании кислотно-основного гомеостаза выделительных органов. H2CO3 является связующим все системы соединением.

Благодаря буферам крови органические кислоты, образующиеся в процессе обмена, или кислоты, введенные в организм извне, не изменяют реакции крови, а лишь вытесняют CO2 из ее соединения с основаниями; избыток же CO2 выводится легкими.

Для детальной характеристики систем, поддерживающих кислотно-основное состояние, пользуются рядом показателей:

pH крови — 7,37—7,44.

рСО2 — 34—55 мм рт. ст. (среднее 40 мм рт. ст. = 5,3 кПа) — дыхательный компонент кислотно-основного состояния.

Избыток или недостаток оснований BE (base excess) — ±2 моль/л —лучший параметр для оценки метаболического компонента. Если величина BE отрицательна, т.е. если присутствует метаболический ацидоз, то лучше говорить о дефиците оснований (BD, base dificit).

Буферные основания — BB (bufer base) — 40—50 мэкв/л или 42 ммоль/л (предполагается, что концентрация протеинов в плазме равна 72 г/л) — сумма всех химических буферов.

Между BE и BB плазмы существует простое соотношение:



Истинные (актуальные) бикарбонаты плазмы — AB (actui bicarbonates)— 19—24 мэкв/л — Концентрация гидрокарбонатов в пробе плазмы крови при действительных значениях pH, рСO2, CO2.

Стандартные бикарбонаты — SB (standard bicorbonates) — 24—28 моль/л.

Механизмы. обеспечивающие кислотно-основное состояние в тканях. Весьма существенную роль в регуляции кислотно-основного баланса имеют разнообразные обменные процессы, происходящие в тканях, особенно в печени, почках, мышцах.

Органические кислоты могут подвергаться окислению с образованием либо летучих, легко выделяющихся из организма кислот (главным образом CO2), либо превращаясь в некислые вещества. Они могут соединяться с продуктами белкового обмена, полностью или частично утрачивая свои кислые свойства (например, соединение бензойной кислоты с глицином); молочная кислота, в больших количествах образующаяся при усиленной мышечной работе, ресинтезируется в гликоген, кетоновые тела — в высшие жирные кислоты и затем в жиры и т.д. Неорганические кислоты могут быть нейтрализованы солями калия, натрия и освобождающимся при дезаминировании аминокислот аммиаком с образованием аммонийных солей и т.д. Щелочи нейтрализуются главным образом молочной кислотой, которая при сдвиге активной реакции тканей в щелочную сторону усиленно образуется из гликогена.

Большая роль в поддержании кислотно-основного гомеостаза принадлежит буферным системам тканей, которые поддерживают постоянство внутритканевого pH и участвуют в регуляции pH крови. В тканях также имеются карбонатная, фосфатная буферная системы. Однако особое значение принадлежит тканевым белкам, которые способны связывать очень большие количества кислот и щелочей. Наиболее выраженной буферной емкостью обладает коллагеновая субстанция соединительной ткани, способная также связывать кислоты путем их адсорбции.

Обмен H+ тесно связан с обменом других ионов между клеткой и межклеточной средой. Освобождающийся в результате окислительно-восстановительной реакций ион H+ вызывает увеличение кислотности внутренней среды клетки; когда [Н+] внутри клеток достигает определенного значения, ион H+ выходит во внеклеточное пространство в обмен на ионы К+ проникающие в клетку. Через клеточную мембрану K+ проходит в комбинации с глюкозой и фосфором в виде глюкозо-калий-фосфата. Проникновение К+ в клетки происходит параллельно с переходом Na+ во внеклеточное пространство (по механизму «натриевого насоса»). Этот щелочной ион нейтрализует выходящие Н+-ионы в первый же момент, предотвращая тем самым повышение кислотности во внутриклеточном пространстве. Таким образом осуществляется, с одной стороны, реполяризация клетки и восстановление мембранного потенциала (переход К+ в клетку) и, с другой, — компенсация метаболического внутриклеточного ацидоза (накопление H+), являющегося следствием жизнедеятельности клетки.

Явления противоположного характера наблюдаются при катаболических процессах. Мобилизация гликогена, катаболизм белков ведут к освобождению ионов K+, которые потенциально могут привести к внутриклеточному алкалозу. Однако в нормальных условиях этого не происходит, так как K+ выходит из клетки в обмен на ионы Na+ и H+ (в пропорции 3 иона КГ на 1 ион Na+ и 1 ион H+).

Механизмы, обеспечивающие транспорт кислот и оснований. Транспорт кислот и оснований осуществляется буферными системами. Сколько бы ни было в организме различных буферов и прочих химических факторов, сами по себе они не были бы в состоянии обеспечить продолжительную стабильность pH, если бы их не дополняли механизмы, регулирующие выведение кислот и оснований.

Механизмы, обеспечивающие выведение из организма кислот и оснований. Среди этих систем главная роль принадлежит легким и почкам.

ЛЕГКИЕ. Благодаря буферам крови органические кислоты, образующиеся в процессе обмена, или кислоты, введенные в организм извне, не изменяют реакции крови, а лишь вытесняют CO2 из ее соединения с основаниями; избыток же CO2 выводится легкими, Через легкие в течение суток удаляются из организма до 850 г CO2. Переход CO2 из крови в альвеолярный воздух объясняется имеющимся здесь градиентом парциального давления CO2. Облегчается этот процесс двумя механизмами; переходом Нb в HbO2, вытесняющий как более сильная кислота CO2 из крови, и действием угольной ангидразы, которой принадлежит большая роль в освобождении свободной CO2 в легкие. Количество углекислоты, выводимой из легких, зависит прежде всего от амплитуды и ритма дыхательных движений. Чем глубже и чаще дыхание, тем больше выводится CO2. В свою очередь параметры дыхания регулируются в зависимости от содержания CO2 в организме.

ПОЧКИ. Роль почек в поддержании кислотно-основного гомеостаза определяется главным образом их кислотно выдел и тельной функцией. Последняя обеспечивается двумя основными механизмами: ацидогенез и аммониогенез.

Ацидогенез происходит при участии фосфатного буфера, с которым организм покидает значительное количество Н+. В результате диссоциации однозамещенного фосфата образующийся Na+ обычно реабсорбируется из просвета канальцев и, уравновешиваясь НСО3-, идет на образование бикарбоната. Вместо Na+ выводится H+, который присоединяется к фосфату в соответствии с уравнением:



При щелочной реакции крови поступающий к клеткам почечных канальцев ион H+ задерживается, а ион HCO3, не реабсорбируясь, выделяется почками.

Аммониогенез. При истощении фосфатного буфера в условиях ацидоза его почечная коррекция осуществляется путем усиленного образования в почках хлорида аммония NH4Cl (из аммиака NH.).

ПЕЧЕНЬ. Регуляция осуществляется путем окисления недоокисленных продуктов типа органических кислот в цикле Кребса, путем образования нейтрального вещества мочевины из аммиака и, главным образом, из хлорида аммония, а также путем выделения в желудочно-кишечный тракт с желчью избыточного количества кислых и основных продуктов.

ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНЫЙ ТРАКТ. Поддержание КОС тесно связано с поддержанием других видов обмена и прежде всего электролитного баланса, в регуляции которого желудочно-кишечный тракт принимает самое активное участие. Потеря большого количества H+ и Cl=, например при работе, или К способствует возникновению алкалоза.